使用兩個機器人的混合激光焊接系統(tǒng)和方法與流程

本申請要求2014年3月17日提交的、名稱為“Hybrid Laser Welding System and Method Using Two Robots(使用兩個機器人的混合激光焊接系統(tǒng)和方法)”的美國臨時專利申請No.61/953,996的優(yōu)先權，該申請公開的全文通過引用方式并入本文。

技術領域

本發(fā)明一般涉及焊接系統(tǒng)和焊接方法領域。更具體地，本發(fā)明涉及使用兩個機器人的混合激光焊接系統(tǒng)和方法。

背景技術：

自動混合激光/電弧焊接典型地使用激光焊接裝置與常規(guī)的電弧焊接裝置相結合。激光焊接裝置和電弧焊接裝置二者一起安裝到機器人上。激光瞄準到要焊接的部件并且激光在電弧跟隨的同時基本上圍繞焊接接頭進行熔化，用新材料填充間隙。

該布置存在一些缺陷。事實上，由于激光焊接裝置和電弧焊接裝置二者的組件的尺寸，難以觸及焊接組件的內(nèi)角。而且，當進一步將接頭檢測裝置添加到焊機頭上時，接頭檢測裝置、激光焊接裝置和電弧焊接裝置的固定安裝使得不可能精確地跟隨曲線，無論是內(nèi)部還是外部，因為三個裝置固定地排布。

因此，對于提供改進可觸及性的改進的混合激光焊接系統(tǒng)存在需求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一是提供一種克服或減輕了已知的激光焊接系統(tǒng)和方法的一個或多個缺點的混合激光焊接系統(tǒng)和方法或者至少提供了有用替代方案。

根據(jù)實施例，提供了一種焊接系統(tǒng)，包括分別具有第一焊機頭和第二焊機頭的第一操縱器和第二操縱器以及控制器。與所述第一操縱器連接的第一焊機頭具有接頭檢測裝置和第一焊接裝置。接頭檢測裝置用于沿著焊接接頭讀取焊接接頭特性，諸如接頭類型或要焊接的部件之間的間隙。與第二操縱器連接的第二焊機頭配備有第二焊接裝置。該控制器與第一操縱器和第二操縱器通信且與接頭檢測裝置通信?？刂破骰陬A定焊接軌跡且基于接頭檢測裝置所讀取的焊接接頭特性來確定校正軌跡。該控制器以第一時延將校正軌跡傳送到第一操縱器且以第二時延將校正軌跡傳送到第二操縱器。第二時延是接頭檢測裝置與第二焊接裝置之間的距離的函數(shù)。在操作中，控制器用于使得接頭檢測裝置跟隨預定軌跡并且使得第一焊接裝置和第二焊接裝置跟隨校正軌跡。典型地，第二時延長于第一時延。

控制器適于電子地存儲預定焊接軌跡。而且，該控制器確定第二時延，使得在操作中，所述第一焊接裝置和所述第二焊接裝置各自具有彼此相距預定距離定位的作用點。

第一校正軌跡可以進一步基于第一焊接裝置的特性。類似地，第二校正軌跡可以進一步基于第二焊接裝置的特性。由于第一焊接裝置通常是激光型的，而第二焊接裝置通常是電極型的，所以第一焊接裝置的特性不同于第二焊接裝置的特性。

任選地，第一焊機頭可以包括樞軸，第一焊接裝置安裝到所述樞軸上，使得第一焊接裝置可以相對于接頭檢測裝置樞轉(zhuǎn)。

根據(jù)另一實施例，提供了一種沿著焊接接頭焊接部件的方法。該方法包括：通過沿著校正軌跡移動第一焊接裝置且通過在時延后沿著校正軌跡移動第二焊接裝置，利用兩個獨立的操縱器來獨立地控制第一焊接裝置和第二焊接裝置。該校正軌跡基于預定焊接軌跡且基于接頭檢測裝置所檢測到的焊接接頭特性。時延是接頭檢測裝置與第二焊接裝置之間的距離的函數(shù)。

根據(jù)又一實施例，提供了一種沿著焊接接頭焊接部件的方法。該方法包括：

a.沿著預定焊接軌跡操縱所述接頭檢測裝置；

b.利用接頭檢測裝置來檢測焊接接頭特性；

c.基于預定軌跡且基于檢測到的焊接接頭特性來確定校正軌跡；

d.利用第一操縱器來沿著校正軌跡操縱第一焊接裝置。第一焊接裝置的操縱發(fā)生在第一時延后，該第一時延是接頭檢測裝置與第一焊接裝置之間的距離的函數(shù)；以及

e.利用第二操縱器沿著校正軌跡操縱第二焊接裝置。第二焊接裝置的操縱發(fā)生在第二時延后，該第二時延是接頭檢測裝置與第二焊接裝置之間的距離的函數(shù)。

在該方法中，第二時延長于第一時延，使得第二焊接裝置跟隨第一焊接裝置。

該方法還可以包括：評估第一焊接裝置與第二焊接裝置之間的距離。該評估可以是在規(guī)則時間間隔或者第一焊接裝置所行進的規(guī)則距離間隔處進行的。

第一焊接裝置的操縱可以基于第一焊接裝置的特性，而第二焊接裝置的操縱可以基于第二焊接裝置的特性。第一焊接裝置的特性可以不同于第二焊接裝置的特性，這是因為典型地，第一焊接裝置是激光器，第二焊接裝置是電弧焊接裝置。

任選地，該方法還可以包括相對于接頭檢測裝置樞轉(zhuǎn)第一焊接裝置。

附圖說明

參考附圖通過下面的說明將更清楚理解本發(fā)明的這些特征以及其它特征，在附圖中：

圖1是根據(jù)實施例的焊接系統(tǒng)的等距視圖；

圖2是圖1的焊接系統(tǒng)的第一焊機頭的細節(jié)的等距視圖；

圖3是圖1的焊接系統(tǒng)的不同元件之間的通信系統(tǒng)的示意圖；

圖4是根據(jù)實施例的在第一焊機頭和第二焊機頭定位在焊接接頭起始點時第一焊機頭和第二焊機頭的示意圖；

圖5是在第一焊機頭和第二焊機頭沿著圖4的焊接接頭定位時第一焊機頭和第二焊機頭的示意圖；

圖6是發(fā)送到圖1的焊接系統(tǒng)的操縱器中的軌跡的示意圖。

圖7是控制器控制圖1的焊接系統(tǒng)的操縱器所跟隨的過程的流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明涉及使用兩個機器人的自適應混合激光/電弧焊接系統(tǒng)和方法，兩個單獨的焊機頭安裝到兩個機器人上。接頭檢測裝置安裝到一個焊機頭上從而讀取焊接接頭特性?？刂破魇褂煤附咏宇^特性的讀數(shù)來校正預定焊接軌跡并且將信息發(fā)送給兩個機器人中的至少一個機器人。該混合激光/電弧焊接系統(tǒng)在保持焊接系統(tǒng)的實時適應性的同時，允許觸及通常難以觸及的焊接區(qū)域并且允許跟隨利用如下系統(tǒng)通常不能跟隨的焊接路徑：在該系統(tǒng)中兩個焊機頭安裝到單個機器人上。

圖1描繪了焊接系統(tǒng)10。焊接系統(tǒng)10包括第一操縱器12和第二操縱器14。第一操縱器12和第二操縱器14中的每一個分別配備有第一焊機頭16和第二焊機頭18?？刂破?0與第一操縱器12和第二操縱器14通信。

第一操縱器12和第二操縱器14典型地是諸如類似于Kuka(庫卡)或Fanuc(發(fā)那科)等公司制造的工業(yè)機器人且是本領域公知的。

安裝到第一操縱器12上的第一焊機頭16配備有諸如激光、等離子體或電子束類型等高能焊接類型的第一焊接裝置22。第一焊接裝置22的作用是沿著焊接接頭26熔化要焊接的部件30的材料。

第一焊機頭16還包括接頭檢測裝置24。任選地，第一焊機頭16還可以包括樞軸28，第一焊接裝置22安裝到樞軸上以使第一焊接裝置22可以相對于接頭檢測裝置24獨立地樞轉(zhuǎn)。這允許更好地沿著焊接接頭26觸及要焊接的部件30的材料。該布置的細節(jié)還示于圖2中。

與第二操縱器14連接的第二焊機頭18配備有第二焊接裝置32。第二焊接裝置32典型的是諸如GMAW、GTAW、PAW、SMAW或任何其它本領域公知的電極類型等電極類型。第二焊接裝置32的作用是將填充材料33添加到形成在要焊接的部件30之間的焊池中。

現(xiàn)在同時參考圖3?，F(xiàn)在將說明元件之間的不同的通信連接?？稍O想的是，這些連接可以是有線或無線的，盡管如此在附圖中以元件之間的線來示意性地表示。

控制器20與第一操縱器12連接以控制第一操縱器12移動，并且因此控制第一焊機頭16、第一焊接裝置22和接頭檢測裝置24的移動?？刂破?0還連接到接頭檢測裝置24以及第一焊接裝置22從而控制并獲得來自這些裝置的諸如焊接接頭特性等反饋和信息。

控制器20具有電子地存儲在其存儲器中的焊接接頭軌跡的預定表示。任選地，可以遠程地存儲該預定焊接軌跡34，且控制器20通過諸如USB、遠程設備、Wi-Fi或云訪問等任何其它訪問方式來訪問預定焊接軌跡34。

控制器20用于基于預定焊接軌跡34，基于焊接接頭特性且基于接頭檢測裝置24與第一焊接裝置22之間的距離來確定第一校正軌跡。

類似地，控制器20與第二操縱器14連接且控制其移動，并且因此控制第二焊機頭18的移動和第二焊接裝置32的移動?？刂破?0還可以與第二焊接裝置32連接從而調(diào)節(jié)其參數(shù)。控制器20用于基于預定焊接軌跡34、基于焊接接頭特性且基于第一焊接裝置22與第二焊接裝置32之間的距離來確定第二校正軌跡?？梢栽诤附舆^程中預先確定或持續(xù)地適應該距離。

控制器20還需要訪問預定焊接軌跡。類似于上述控制器20，控制器20可以通過將預定焊接軌跡電子地存儲在其存儲器中，或者通過USB、遠程設備、Wi-Fi或云訪問來遠程地訪問預定焊接軌跡或者甚至通過與控制器20通信且從控制器接收來訪問預定焊接軌跡。

接頭檢測裝置24典型地是與識別軟件組合的照相機。接頭檢測裝置24用于檢測焊接接頭特性并且將該信息反饋給控制器20。任選地，接頭檢測裝置24還可以連接到控制器20以饋送相同的信息。

現(xiàn)在同時參考圖4和圖7。在準備焊接操作時，首先把要焊接的部件30定位到焊接固定件36上，使得焊接接頭26總是相對于第一操縱器12和第二操縱器14位于可重復的位置處。在找焊縫方法階段100中，控制器20引導第一操縱器12，使得接頭檢測裝置24根據(jù)預定焊接軌跡34被引導到焊接接頭起始點38并且可以在步驟102中讀取焊接接頭26的起始點的真實位置。隨著控制器20隨后引導第一操縱器12從而在步驟106中將第一焊接裝置22置于焊接接頭起始點38，接頭檢測裝置24繼續(xù)讀取焊接接頭26的真實位置。在步驟104中控制器20開始計算校正焊接軌跡44，將在下文更詳細說明。在步驟108中控制器20隨后引導第二操縱器14將第二焊接裝置32放置在第一焊接裝置22后方相距第一距離40處。該第一距離40初始地設定為預定值。典型地，第一距離40初始地設定為數(shù)量級是5至50mm的值。

現(xiàn)在同時參考圖5，該圖表示當?shù)谝缓附友b置22和第二焊接裝置32處于沿著焊接接頭26焊接要焊接的部件30的過程中時的第一焊接裝置22和第二焊接裝置32。第一焊接裝置22和第二焊接裝置32分隔開第一距離40。該距離取決于在期望焊接速度的第一焊接裝置22和第二焊接裝置32之間可用的物理空間，且取決于在要焊接的部件30之間執(zhí)行的焊接的期望特性。取決于期望的結果，可以計算第一距離40而使得第一焊接裝置22和第二焊接裝置32兩者的作用點在共同焊池內(nèi)。該第一距離40可以作為許多參數(shù)的函數(shù)而變化，諸如焊接速度、焊接接頭特性、焊接接頭拓撲結構、焊接參數(shù)等。

在步驟110中，控制器20向第一焊接裝置22和第一操縱器12發(fā)送沿著第一校正軌跡46進行焊接的命令。隨著執(zhí)行焊接操作且沿著預定焊接軌跡34引導接頭檢測裝置24，接頭檢測裝置24繼續(xù)讀取焊接接頭26的真實位置及其特性。在步驟114中，以恒定時間間隔(例如，每0.075秒)取得這些讀數(shù)并且將這些讀數(shù)持續(xù)地發(fā)送給控制器20且存儲在其存儲器中。該信息作為接頭讀數(shù)42被傳送給控制器20。接頭讀數(shù)42包括與焊接接頭26的真實位置有關的信息、與要焊接的部件30之間的間隙或失配有關的信息以及與焊接接頭26的特性有關的信息。這些特性可以包括諸如焊接接頭的類型(角接，端接，角焊接，搭接，對接，斜接(bevel)，J形接等)等信息。基于存儲在控制器20中的預定信息，諸如，預定焊接軌跡且基于接頭讀數(shù)42，在步驟104中，控制器20計算用于確定校正焊接軌跡44的一系列對應的校正點。在步驟105中，這些校正點也作為校正焊接軌跡44存儲在控制器20的存儲器中。校正焊接軌跡44具有被第一焊接裝置22和第二焊接裝置32所跟隨的輪廓，但是對于兩個焊接裝置做出不同確定，如下文詳述。預定焊接軌跡34和校正焊接軌跡44描繪于圖6中，現(xiàn)在參考圖6。

由于第一焊機頭16承載了彼此相距第二距離45定位的接頭檢測裝置24和第一焊接裝置22，所以第一焊機頭16必須以如下方式進行控制：接頭檢測裝置24繼續(xù)跟隨預定焊接軌跡34，而第一焊接裝置22跟隨第一校正軌跡46。這經(jīng)常是利用來自操縱器制造商的本地軟件執(zhí)行。如圖6所示，第一校正軌跡46實際上是校正焊接軌跡44，校正焊接軌跡44以第一時延48被發(fā)送到第一操縱器12。在步驟109中完成第一校正軌跡46的確定，并且只要接頭檢測裝置24檢測到焊接接頭26就會繼續(xù)進行。第一時延48補償了接頭檢測裝置24和第一焊接裝置22由于它們之間的第二距離45而不能及時處于同一位置的事實。第一校正軌跡46以第一校正軌跡信號50的形式被控制器20發(fā)送到第一操縱器12，使得第一操縱器12可以正確地將第一焊接裝置22定位在焊接接頭26上方。任選地，控制器20還可以發(fā)送第一焊接參數(shù)信號52以調(diào)節(jié)第一焊接裝置22的焊接參數(shù)。第一焊接裝置22的焊接參數(shù)可以包括諸如功率、位置、角度等信息。

類似地，由于第一焊接裝置22與第二焊接裝置32之間的第一距離40，在步驟114中當控制器20將第二校正軌跡56傳送給第二操縱器14時，必須向校正軌跡34添加第二時延54。該第二時延54是利用第一和第二焊接裝置22，32的速度以及接頭檢測裝置24與第二焊接裝置32之間的總距離57來確定的，其中該總距離57是第二距離45和第一距離40之總和。第二校正軌跡56以第二校正軌跡信號58的形式發(fā)送到第二操縱器14。在步驟115中，控制器20向第二焊接裝置32以及向第二操縱器14發(fā)送沿著第二校正軌跡56進行焊接的命令。任選地，控制器20還可以發(fā)送第二焊接參數(shù)信號60以調(diào)節(jié)第二焊接裝置32的焊接參數(shù)。第二焊接裝置32的焊接參數(shù)可以包括諸如焊接電流、焊接電壓、材料饋給率等信息。

可替代地，第二校正軌跡56可以利用第一校正軌跡46來確定并且向其添加對應于第一距離40的時延。

優(yōu)選的是，第一焊接裝置22和第二焊接裝置32中的每一個的作用點保持彼此相距預定距離。因此，因為第一距離40會受第一和第二操縱器12和14的速度和軌跡的精度影響，所以優(yōu)選的是持續(xù)地(例如，以規(guī)則時間間隔)評估第一距離40，并且根據(jù)焊接條件(例如，焊接接頭類型或者要焊接的部件30之間的間隙大小)、第一和第二焊接裝置22，32的特性或焊接接頭26的特性等來調(diào)節(jié)該第一距離。結果，第二時延54可以持續(xù)地調(diào)節(jié)和改變從而確保第一和第二焊接裝置22，32的作用點在相同的熔池內(nèi)。

在步驟116中，當接頭檢測裝置24檢測到焊接接頭26的末尾時，控制器12向校正焊接軌跡44添加標記。當在步驟117中該標記添加到由控制器12檢測到的第一焊接接頭26、或添加到第一校正軌跡46或第二校正軌跡56上時，分別在步驟118中停止第一焊接裝置22的焊接操作以及在步驟120中停止第二焊接裝置的焊接操作。

已經(jīng)結合優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明。說明書以及附圖旨在幫助理解本發(fā)明，而不是限制其范圍。本領域技術人員顯而易見的是，可以對本發(fā)明做出各種修改，而不背離如本文所說明的本發(fā)明的范圍，并且這些修改旨在由本說明書涵蓋。本發(fā)明由隨附的權利要求書來限定。